WO2011026862A1 - Method for preparing a porous nuclear fuel containing at least one minor actinide - Google Patents
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Definitions
- the invention thus relates to a method of manufacturing a porous fuel comprising uranium, possibly plutonium, and at least one minor actinide comprising successively the following steps:
- the preparation step may consist in bringing into contact a first co-precipitated powder of uranium oxide, optionally of plutonium, and a minor actinide with a second mixture of powders comprising uranium oxide in the form of triuranium octoxide U 3 O 8 , optionally plutonium oxide and at least one oxide of a minor actinide.
- the second mixture of powders of the second variant (that is to say the one comprising, inter alia, uranium oxide in the form of triuranium octoxide U 3 O 8 ) can be obtained from a fraction of the first co-precipitated powder, which fraction is subjected to a step of calcination in air, so to transform the oxide of uranium UO 2 triuranium octoxide U 3 O 8, the resulting product being then optionally subjected to an operation pressing, followed by a crushing operation and a sieving operation so as to isolate the powders having a grain size greater than 100 ⁇ m, preferably from 100 to 250 ⁇ m.
- FIG. 1 is a thermal cycle diagram applied in the context of Comparative Example 1 and Example 1 of the invention showing the evolution of temperature T (in ° C) as a function of time t (in hours h ).
- FIG. 2 represents a view taken by optical microscopy (magnification * 2.5) for the material obtained according to comparative example 1.
- This example illustrates the preparation of a mixed oxide fuel comprising both uranium and americium according to the process of the invention.
- the mass loss of the material after the heat treatment is estimated at 5%.
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Abstract
Description
PROCEDE DE PREPARATION D'UN COMBUSTIBLE NUCLEAIRE POREUX A BASE D'AU MOINS UN ACTINIDE MINEUR PROCESS FOR PREPARING A POROUS NUCLEAR FUEL BASED ON AT LEAST ONE MINOR ACTINIDE
DESCRIPTION DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE TECHNICAL AREA
L' invention a trait à un procédé de préparation d'un combustible nucléaire poreux comprenant de l'uranium, éventuellement du plutonium et au moins un actinide mineur mettant en œuvre des étapes faisant intervenir des poudres de ces éléments. The invention relates to a method for preparing a porous nuclear fuel comprising uranium, possibly plutonium and at least one minor actinide implementing steps involving powders of these elements.
Ce procédé peut trouver, en particulier, son application dans le recyclage d' actinides mineurs via l'incorporation de ces actinides mineurs dans le combustible susmentionné, lequel est destiné à être utilisé pour constituer des crayons nucléaires pour réacteur nucléaire ou encore, à entrer dans la constitution de cibles de transmutation, en vue d'effectuer des expériences de transmutation nucléaire notamment pour mieux comprendre le mécanisme de transmutation de ces éléments actinides mineurs. This process can find, in particular, its application in the recycling of minor actinides via the incorporation of these minor actinides in the aforementioned fuel, which is intended to be used to constitute nuclear reactor nuclear rods or to enter the formation of transmutation targets, with a view to carrying out nuclear transmutation experiments, in particular to better understand the transmutation mechanism of these minor actinide elements.
On précise, pour la suite de l'exposé, que par actinide mineur, on entend les éléments actinides autres que l'uranium, le plutonium et le thorium, formés dans les réacteurs par captures successives de neutrons par les noyaux de combustible standard, les actinides mineurs étant l'américium, le curium et le neptunium. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE For the rest of the talk, it is stated that minor actinide means actinide elements other than uranium, plutonium and thorium, formed in reactors by successive neutron captures by standard fuel nuclei, minor actinides being americium, curium and neptunium. STATE OF THE PRIOR ART
A l'heure actuelle, le recyclage des actinides mineurs issus du traitement des combustibles usés s'opère par deux voies distinctes connues sous les appellations suivantes : At present, the recycling of minor actinides from the spent fuel processing is carried out by two distinct routes known as the following:
- le recyclage hétérogène ; et - heterogeneous recycling; and
- le recyclage homogène. - homogeneous recycling.
Dans le cas du recyclage hétérogène, les actinides mineurs sont séparés, lors du traitement du combustible usé, de l'uranium et du plutonium, et sont ensuite incorporés, à une teneur élevée, dans des éléments de combustible comprenant une matrice non fissile distincts des éléments de combustible standard du réacteur. Les éléments de combustible comprenant les actinides mineurs peuvent consister, par exemple, en des éléments de couverture disposés en périphérie du cœur d'un réacteur. Cette voie de recyclage permet, notamment, d'éviter de dégrader les caractéristiques du combustible standard par une incorporation d' actinides mineurs en concentrant les problèmes générés par ces actinides sur un flux de matière réduit. In the case of heterogeneous recycling, the minor actinides are separated, during spent fuel, uranium and plutonium processing, and are then incorporated at a high level into fuel elements comprising a non-fissile matrix distinct from the Standard fuel elements of the reactor. Fuel elements comprising minor actinides may consist, for example, of cover elements disposed at the periphery of the core of a reactor. This recycling pathway makes it possible, in particular, to avoid degrading the characteristics of the standard fuel by incorporation of minor actinides by concentrating the problems generated by these actinides on a reduced flow of material.
Dans le cas du recyclage homogène, les actinides mineurs sont mélangés, à une faible teneur, et sont répartis de façon quasi uniforme dans la totalité des éléments de combustible standard de réacteur. Pour ce faire, lors du traitement du combustible usé, l'uranium, le plutonium et les actinides mineurs sont traités ensemble pour former des oxydes, lesquels sont ensuite utilisés dans la fabrication desdits combustibles. L'introduction d' actinides mineurs dans des combustibles destinés au cœur de réacteur se traduit par une émission importante, au sein de ces combustibles, de gaz de fission et par une forte émission a. Pour des raisons de sécurité, il faut donc prévoir des combustibles présentant une microstructure comportant un niveau de porosité stable sous irradiation, qui permet, qui plus est, l'évacuation des gaz de fission et de l'hélium de décroissance sans dégradation physique du combustible. Le taux de porosité recommandé pour de tels combustibles doit être de l'ordre de 14 à 16 %, de même que la porosité doit être une porosité ouverte. In the case of homogeneous recycling, minor actinides are mixed at a low level and are distributed almost uniformly throughout the standard reactor fuel elements. To do this, during spent fuel treatment, uranium, plutonium and minor actinides are treated together to form oxides, which are then used in the manufacture of said fuels. The introduction of minor actinides into reactor core fuels results in significant emission of fission gases into these fuels and a high emission rate. For safety reasons, it is therefore necessary to provide fuels with a microstructure having a stable level of porosity under irradiation, which allows, moreover, the evacuation of fission gases and decay helium without physical degradation of the fuel . The recommended porosity rate for such fuels should be in the range of 14 to 16%, just as the porosity should be open porosity.
Pour essayer d'approcher voire d'atteindre un tel taux, il est connu d'incorporer dans le combustible des quantités importantes d' agents porogènes organiques pendant l'étape de mélange/broyage des oxydes susmentionnés. Toutefois, la tenue dans le temps des agents porogènes organiques n'est pas assurée compte tenu du niveau élevé d'émission a générée par la présence des actinides mineurs. En effet, les agents porogènes utilisés actuellement (tels que To try to approach or even achieve such a rate, it is known to incorporate in the fuel significant amounts of organic pore-forming agents during the mixing / grinding step of the aforementioned oxides. However, the behavior over time of organic pore-forming agents is not ensured in view of the high level of emission generated by the presence of minor actinides. Indeed, the porogenic agents currently used (such as
1' azodicarbonamide) perdent très rapidement leurs propriétés, ce qui peut générer un important taux de rebut difficilement gérable du fait de la présence des actinides mineurs. Il en résulte une impossibilité de stocker les mélanges destinés à constituer les combustibles et, du fait de la dégradation des agents porogènes, un risque de gonflement des pastilles du combustible avant frittage destinées à entrer dans la constitution du combustible. Il s'ensuit, de ce fait, une impossibilité d'obtenir des combustibles présentant une porosité contrôlée. Azodicarbonamide) very quickly lose their properties, which can generate a high scrap rate that is difficult to handle because of the presence of minor actinides. As a result, it is impossible to store the mixtures intended to constitute the fuels and, because of the degradation of the blowing agents, a risk of swelling of the pellets of the fuel before sintering intended to enter into the constitution of the fuel. It follows, therefore, an impossibility of obtaining fuels having a controlled porosity.
Ainsi, au vu des procédés de l'art antérieur concernant la fabrication de combustible comprenant des actinides mineurs, les inventeurs se sont fixé comme objectif de mettre au point un procédé ne présentant pas les inconvénients inhérents à l'utilisation des agents porogènes organiques, à savoir la dégradation de ces agents dès le stade du mélange des précurseurs du combustible et donc une impossibilité d'obtenir une porosité contrôlée du combustible . Thus, in view of the processes of the prior art relating to the manufacture of fuel comprising minor actinides, the inventors have set themselves the objective of developing a process which does not have the drawbacks inherent in the use of organic porogenic agents, know the degradation of these agents from the stage of mixing fuel precursors and therefore an impossibility of obtaining a controlled porosity of the fuel.
EXPOSÉ DE L' INVENTION STATEMENT OF THE INVENTION
Pour résoudre cette problématique, les inventeurs proposent un procédé inventif permettant de se passer de l'utilisation d'agents porogènes organiques pour obtenir un combustible nucléaire poreux à base d' actinides mineurs. To solve this problem, the inventors propose an inventive method that makes it possible to dispense with the use of organic porogenic agents in order to obtain a porous nuclear fuel based on minor actinides.
L' invention a ainsi trait à un procédé de fabrication d'un combustible poreux comprenant de l'uranium, éventuellement du plutonium, et au moins un actinide mineur comprenant successivement les étapes suivantes : The invention thus relates to a method of manufacturing a porous fuel comprising uranium, possibly plutonium, and at least one minor actinide comprising successively the following steps:
a) une étape de compactage sous forme de pastilles d'un mélange de poudres comprenant de l'oxyde d'uranium, éventuellement de l'oxyde de plutonium, et au moins un oxyde d'un actinide mineur, une partie au moins de l'oxyde d'uranium étant sous forme d' octaoxyde de triuranium U3O8, l'autre partie étant sous forme de dioxyde d'uranium UO2 ; b) une étape de réduction d'au moins une partie de l'octaoxyde de triuranium U3O8 en dioxyde d'uranium UO2. a) a compacting step in the form of pellets of a mixture of powders comprising uranium oxide, optionally plutonium oxide, and at least one oxide of a minor actinide, at least a part of the the uranium oxide being in the form of triuranium octoxide U 3 O 8 , the other part being in the form of uranium dioxide UO 2 ; b) a step of reducing at least a portion of the U 3 O 8 triuranium octoxide to uranium dioxide UO 2 .
Ce procédé est innovant, entre autres, par le fait, que la porosité est générée par la réduction de l'octaoxyde de triuranium U3O8 en dioxyde d'uranium UO2 · En effet, la réduction de l'octaoxyde de triuranium U3O8 en dioxyde d'uranium UO2 génère une réduction de volume de l'espace occupé par l'octaoxyde de triuranium d'environ 30%, l'espace laissé ainsi vacant constituant des pores dans le combustible. En réglant la quantité d' octaoxyde de triuranium U3O8 dans le mélange de départ et le taux de réduction, il est ainsi possible aisément de viser un taux précis de porosité du combustible et d'accéder ainsi à un procédé permettant de contrôler le taux de porosité du combustible produit. This process is innovative, among other things, by the fact that the porosity is generated by the reduction of triuranium octoxide U 3 O 8 to uranium dioxide UO 2 · In fact, the reduction of triuranium octaoxide U 3 O 8 in uranium dioxide UO 2 generates a reduction in volume of the space occupied by triuranium octaoxide by about 30%, the space left vacant constituting pores in the fuel. By regulating the amount of triuranium octoxide U 3 O 8 in the starting mixture and the reduction ratio, it is thus easily possible to aim for a precise rate of fuel porosity and thereby gain access to a method for controlling the porosity rate of the fuel produced.
Qui plus est, du fait de l'absence d'utilisation d'agents porogènes organiques, les difficultés liées au stockage des mélanges précurseurs du combustible ou des pastilles de combustible avant frittage sont moindres. Le procédé de l'invention s'avère donc plus flexible que les procédés de l'art antérieur mettant en œuvre des agents porogènes organiques, car les différentes étapes le constituant peuvent être réalisées de façon extemporanée . Moreover, because of the absence of use of organic pore-forming agents, the difficulties associated with the storage of the precursor mixtures of the fuel or the fuel pellets before sintering are less. The process of the invention is therefore more flexible than the processes of the prior art using organic pore-forming agents, since the various steps constituting it can be carried out extemporaneously.
Enfin, ce procédé permet d'envisager une incorporation de tous les actinides mineurs (américium, curium et neptunium) issus des flux de retraitement des combustibles usés. L'oxyde d'un actinide mineur peut être de l'oxyde d' américium, tel que Am02, ΑΠΙ2Ο3, de l'oxyde de curium, tel que Cm02, Cm203, de l'oxyde de neptunium, tel que p02 et des mélanges de ceux-ci. Finally, this process makes it possible to envisage an incorporation of all the minor actinides (americium, curium and neptunium) resulting from spent fuel reprocessing streams. The oxide of a minor actinide may be americium oxide, such as AmO 2 , ΑΠΙ 2Ο 3 , curium oxide, such as Cm0 2 , Cm 2 O 3 , neptunium oxide, such as p0 2 and mixtures thereof.
L'oxyde de plutonium peut se présenter sous forme de Pu02 et/ou PU2O3. The plutonium oxide may be in the form of PuO 2 and / or PU 2 O 3.
Dans le mélange de poudres susmentionné, l'oxyde d'uranium sous forme d' octaoxyde de triuranium U3O8 peut se trouver associé au sein des mêmes grains avec un oxyde d'un actinide mineur et éventuellement de l'oxyde de plutonium, lesdits grains présentant avantageusement une taille de grains supérieure à 100 ym, de préférence allant de 100 à 250 ym. Ceci n'exclut pas le fait que l'oxyde d'un actinide mineur et l'oxyde de plutonium puissent également exister sous forme de grains distincts. In the aforementioned powder mixture, the uranium oxide in the form of triuranium octoxide U 3 O 8 can be associated within the same grains with an oxide of a minor actinide and optionally plutonium oxide, said grains advantageously having a grain size greater than 100 μm, preferably ranging from 100 to 250 μm. This does not exclude the fact that minor actinide oxide and plutonium oxide may also exist as separate grains.
On précise que, dans ce qui précède et ce suit, on entend par grain ou poudre présentant une taille de grains supérieure à 100 ym, une poudre qui, déposée sur un tamis présentant des mailles carrées de 100 ym de côté, ne traversera pas ledit tamis. It is specified that, in what precedes and what follows, the term grain or powder having a grain size greater than 100 μm, a powder which, deposited on a sieve with square meshes of 100 μm side, will not cross said sieve.
On précise que, dans ce qui précède et ce qui suit, on entend par grain ou poudre présentant une taille de grains allant de 100 à 250 ym, une poudre pouvant être sélectionnée par les opérations de tamisage suivantes : It is specified that, in what precedes and what follows, grain or powder having a grain size ranging from 100 to 250 μm, a powder that can be selected by the following sieving operations:
- une première opération de tamisage sur un tamis présentant des mailles carrées de 100 ym de côté permettant d' isoler la fraction granulométrique ne traversant pas ledit tamis, c'est-à-dire la poudre présentant une taille de grains supérieure à 100 ym ; une seconde opération de tamisage consistant à faire passer ladite poudre présentant une taille de grains supérieure à 100 ym issue de la première opération de tamisage, sur un tamis présentant des mailles carrées de 250 ym de côté, la fraction granulométrique ayant traversé le tamis constituant la poudre présentant une taille de grains allant de 100 à 250 ym. a first sieving operation on a sieve having square meshes of 100 μm in length making it possible to isolate the size fraction that does not pass through said sieve, that is to say the powder having a grain size greater than 100 μm; a second sieving operation of passing said powder having a grain size greater than 100 μm from the first sieving operation, on a sieve having square mesh of 250 μm on the side, the particle size fraction having passed through the sieve constituting the powder having a grain size ranging from 100 to 250 μm.
Préalablement à l'étape de compactage a), le procédé de l'invention peut comprendre une étape de préparation du mélange de poudres susmentionné dans 1 ' étape a) . Prior to compaction step a), the process of the invention may comprise a step of preparing the aforementioned powder mixture in step a).
L'étape de préparation du mélange peut, selon l'invention, être réalisée selon plusieurs variantes. The preparation step of the mixture may, according to the invention, be carried out according to several variants.
Selon une première variante, l'étape de préparation du mélange de poudres tel que défini à l'étape a) peut consister à mettre en contact un premier mélange comprenant une poudre d'oxyde d'uranium sous forme de dioxyde d'uranium UO2, éventuellement une poudre d' oxyde de plutonium, et au moins une poudre d'un oxyde d'un actinide mineur et un deuxième mélange de poudres comprenant de l'oxyde d'uranium sous forme d' octaoxyde de triuranium U3O8, éventuellement de l'oxyde de plutonium et un oxyde d'un actinide mineur, le deuxième mélange de poudres se présentant avantageusement sous forme de grains comprenant l'association au sein d'un même grain de l'oxyde d'uranium sous forme d' octaoxyde de triuranium U3O8, éventuellement de l'oxyde de plutonium, et d'un oxyde d'un actinide mineur, lesdits grains présentant avantageusement une taille de grains supérieure à 100 ym, de préférence allant de 100 à 250 ym. According to a first variant, the step of preparing the powder mixture as defined in step a) may consist in bringing into contact a first mixture comprising a uranium oxide powder in the form of uranium dioxide UO 2 , optionally a plutonium oxide powder, and at least one minor actinide oxide powder and a second powder mixture comprising uranium oxide in the form of U 3 O 8 triuranium octaoxide, optionally, plutonium oxide and an oxide of a minor actinide, the second mixture of powders being advantageously in the form of grains comprising the association within the same grain of the uranium oxide in the form of triuranium octoxide U 3 O 8 , optionally plutonium oxide, and an oxide of a minor actinide, said grains having advantageously a grain size greater than 100 μm, preferably ranging from 100 to 250 μm.
Le premier mélange peut être issu des opérations suivantes : The first mixture can be from the following operations:
- une opération de mise en contact d'une poudre d'oxyde d'uranium sous forme de dioxyde d'uranium UO2, éventuellement d'une poudre d'oxyde de plutonium, et d'au moins une poudre d'un oxyde d'un actinide mineur ; et an operation for contacting a uranium oxide powder in the form of uranium dioxide UO 2 , optionally a plutonium oxide powder, and at least one powder of an oxide of uranium a minor actinide; and
- éventuellement, une opération de co- broyage du mélange résultant pour obtenir un mélange de poudres intime. - optionally, a co-grinding operation of the resulting mixture to obtain a mixture of intimate powders.
Le deuxième mélange peut être issu des opérations successives suivantes : The second mixture can be from the following successive operations:
- une opération de mise en contact d'une poudre d'oxyde d'uranium sous forme d' octaoxyde de triuranium U3O8, éventuellement d'une poudre d'oxyde de plutonium, et d'au moins une poudre d'oxyde d'un actinide mineur ; - an operation of contacting a uranium oxide powder in the form of Triuranium Octoxide U 3 O 8, optionally a plutonium oxide powder, and at least one oxide powder minor actinide;
- une opération de co-broyage desdites poudres ; an operation of co-grinding said powders;
- une opération de pressage à une pression PI prédéterminée ; a pressing operation at a predetermined pressure P1;
- une opération de concassage ; et - a crushing operation; and
- au moins une opération de tamisage de sorte à isoler les grains présentant une taille de grains supérieure à 100 ym, de préférence allant de 100 à 250 ym. at least one sieving operation so as to isolate the grains having a grain size greater than 100 μm, preferably ranging from 100 to 250 μm.
Selon une deuxième variante, l'étape de préparation peut consister à mettre en contact une première poudre coprécipitée d'oxyde d'uranium, éventuellement de plutonium, et d'un actinide mineur avec un deuxième mélange de poudres comprenant de l'oxyde d'uranium sous forme d' octaoxyde de triuranium U3O8, éventuellement de l'oxyde de plutonium et au moins un oxyde d'un actinide mineur. According to a second variant, the preparation step may consist in bringing into contact a first co-precipitated powder of uranium oxide, optionally of plutonium, and a minor actinide with a second mixture of powders comprising uranium oxide in the form of triuranium octoxide U 3 O 8 , optionally plutonium oxide and at least one oxide of a minor actinide.
Ces poudres peuvent être issues de la coprécipitation oxalique d'un flux comprenant les éléments chimiques concernés. These powders may be derived from the oxalic coprecipitation of a stream comprising the chemical elements concerned.
Cette deuxième variante permet d'envisager d'utiliser directement les flux de retraitement comprenant les éléments chimiques adéquats en vue de fabriquer le combustible de l'invention. This second variant makes it possible to envisage using directly the reprocessing streams comprising the appropriate chemical elements in order to manufacture the fuel of the invention.
Le deuxième mélange de poudres de la seconde variante (c'est-à-dire celui comprenant, entre autres, de l'oxyde d'uranium sous forme d' octaoxyde de triuranium U3O8) peut être obtenu à partir d'une fraction de la première poudre coprécipitée, laquelle fraction est soumise à une étape de calcination sous air, de sorte à transformer l'oxyde d'uranium UO2 en octaoxyde de triuranium U3O8, le produit résultant étant ensuite éventuellement soumis à une opération de pressage, suivie d'une opération de concassage et d'une opération de tamisage de sorte à isoler les poudres présentant une taille de grains supérieure à 100 ym, de préférence allant de 100 à 250 ym. The second mixture of powders of the second variant (that is to say the one comprising, inter alia, uranium oxide in the form of triuranium octoxide U 3 O 8 ) can be obtained from a fraction of the first co-precipitated powder, which fraction is subjected to a step of calcination in air, so to transform the oxide of uranium UO 2 triuranium octoxide U 3 O 8, the resulting product being then optionally subjected to an operation pressing, followed by a crushing operation and a sieving operation so as to isolate the powders having a grain size greater than 100 μm, preferably from 100 to 250 μm.
D'un point de vue concret, lors de l'opération de calcination, l'UsOs formé se dissocie pour former des grains distincts d' octaoxyde de triuranium, la forme orthorombique de l'UsOs étant incompatible avec la forme cubique de l'oxyde de plutonium et l'oxyde d'un actinide mineur présent dans la poudre coprécipitée . From a concrete point of view, during the calcination operation, the formed UsOs dissociates to form distinct grains of triuranium octaoxide, the orthorombic form of the UsOs being incompatible with the cubic form of the oxide of plutonium and the oxide of a minor actinide present in the coprecipitated powder.
Que ce soit pour la première variante ou pour la seconde variante, les poudres issues des opérations de tamisage (en l'occurrence les poudres comprenant de l'octaoxyde de triuranium U3O8) , présentant une taille de grains inférieure à 100 ym (c'est-à-dire la poudre qui passe à travers un tamis présentant des mailles carrées de 100 ym de côté) peuvent être récupérées et soumises aux opérations successives suivantes : Whether for the first variant or for the second variant, the powders resulting from sieving operations (in this case the powders comprising triuranium octaoxide U 3 O 8 ), having a grain size of less than 100 μm ( that is to say, the powder which passes through a sieve having square meshes of 100 μm on one side) can be recovered and subjected to the following successive operations:
- une opération de pressage à une pression avantageusement supérieure à 300 MPa ; a pressing operation at a pressure advantageously greater than 300 MPa;
- une opération de concassage ; - a crushing operation;
- au moins une opération de tamisage de sorte à isoler la poudre présentant une taille de grains supérieure à 100 ym, de préférence allant de 100 à 250 ym, at least one sieving operation so as to isolate the powder having a grain size greater than 100 μm, preferably ranging from 100 to 250 μm,
lesdites poudres étant destinées à entrer dans la constitution du deuxième mélange de poudres. said powders being intended to enter into the constitution of the second mixture of powders.
Que ce soit pour la première variante ou pour la seconde variante, la teneur en actinide mineur dans le mélange de poudres de l'étape a) est avantageusement comprise dans la gamme allant jusqu'à 40% en masse par rapport à la masse totale des noyaux lourds (à savoir, U, Pu, Actinide (s) mineur (s)). Whether for the first variant or for the second variant, the content of minor actinide in the powder mixture of step a) is advantageously in the range of up to 40% by weight relative to the total mass of the heavy nuclei (ie, U, Pu, minor Actinide (s)).
Dans les cas susmentionnés, les étapes de mélanges peuvent être réalisées dans un mélangeur énergétique, tel qu'un mélangeur doux, par exemple de type Turbula à mouvement oscillo-rotatif ou un mélangeur à oscillation sans bille de broyage. Les étapes de broyage peuvent être réalisées dans tout type de broyeur comme, par exemple, un broyeur à boulets, à attrition, à oscillation, à mouvement planétaire ou un broyeur à jet de gaz. In the above-mentioned cases, the mixing steps can be carried out in an energy mixer, such as a mild mixer, for example of the Turbula type with oscillating-rotary movement or an oscillation mixer without grinding ball. The grinding steps can be performed in any type of mill such as, for example, a ball mill, attrition, oscillation, planetary motion or a gas jet mill.
Les étapes de tamisage peuvent être réalisées au moyen d'un ou plusieurs tamis, par exemple un tamis en acier inoxydable, permettant d' isoler la poudre présentant une taille de grains supérieure à 100 ym, de préférence une taille de grains allant de 100 à 250 ym. The sieving steps may be carried out by means of one or more sieves, for example a stainless steel sieve, making it possible to isolate the powder having a grain size greater than 100 μm, preferably a grain size ranging from 100 to 100 μm. 250 ym.
Les étapes de pressage peuvent être réalisées au moyen d'une presse, par exemple hydraulique . The pressing steps can be performed by means of a press, for example hydraulic.
Le procédé de l'invention comprend ensuite une étape de compactage du mélange susmentionné a) par pressage, pour conférer au mélange une forme de pastille, qui sera la forme des pastilles de combustible nucléaire. Cette étape de pressage peut être réalisée à une pression P2 égale, inférieure ou supérieure à la pression PI susmentionnée. The method of the invention then comprises a step of compacting the aforementioned mixture a) by pressing, to give the mixture a tablet shape, which will be the shape of the nuclear fuel pellets. This pressing step can be carried out at a pressure P2 equal to, lower than or greater than the above-mentioned pressure PI.
Les pastilles résultantes sont soumises à une étape de réduction au cours de laquelle tout ou partie de l'octaoxyde de triuranium U3O8 est réduite en oxyde d'uranium UO2, créant ainsi de façon concomitante des pores résultant de l'espace vacant laissé par la réduction susmentionnée. The resulting pellets are subjected to a reduction step in which all or part of the triuranium octoxide U 3 O 8 is reduced to uranium oxide UO 2 , thereby concomitantly creating pores resulting from the vacant space left by the abovementioned reduction.
L'étape de réduction peut être réalisée en soumettant les pastilles susmentionnées à un courant de gaz réducteur, par exemple de l'hydrogène, éventuellement en mélange avec un gaz neutre, tel que l'argon à une température allant de 600 à 1000°C pendant une durée pouvant aller de 1 à 10 heures. The reduction step may be carried out by subjecting the aforementioned pellets to a stream of reducing gas, for example hydrogen, optionally mixed with a neutral gas, such as argon at a temperature ranging from 600 to 1000 ° C for a duration ranging from 1 to 10 hours.
Ainsi, il peut s'agir d'un mélange argon et hydrogène, l'hydrogène étant compris dans le mélange à une teneur pouvant aller jusqu'à 5% en volume et comprenant éventuellement de l'eau à une teneur pouvant aller jusqu'à 20000 ppm. Thus, it may be an argon and hydrogen mixture, the hydrogen being included in the mixture at a content of up to 5% by volume and optionally comprising water up to a content up to 20000 ppm.
Cette étape de réduction comme mentionnée déjà ci-dessus génère une réduction de U3O8 en UO2 et ainsi une réduction de volume. Avantageusement, l'on pourra déterminer la quantité de U3O8 à introduire de sorte qu'après réduction, la porosité subséquente génère des pores interconnectés. Pour ce faire, il faut se trouver au-dessus du seuil de percolation de celle- ci et tenir compte de ce fait de la diminution de volume induite par la réduction de U3O8. This reduction step as already mentioned above generates a reduction of U 3 O 8 in UO 2 and thus a reduction in volume. Advantageously, it will be possible to determine the amount of U 3 O 8 to be introduced so that after reduction, the subsequent porosity generates interconnected pores. To do this, it must be above the percolation threshold of the latter and take into account the volume reduction induced by the reduction of U 3 O 8 .
L'étape de réduction peut être suivie d'une étape de frittage de sorte à consolider entre eux les grains constitutifs des pastilles. The reduction step may be followed by a sintering step so as to consolidate between them the constituent grains of the pellets.
L'étape de frittage peut consister à chauffer les pastilles susmentionnées, par exemple, à une température allant de 1000 à 1800°C, pendant une durée pouvant s'échelonner de 1 à 8 heures, par exemple, sous une atmosphère de gaz neutre, tel que l'argon, éventuellement en présence d'hydrogène et d'eau ou encore sous un milieu réducteur comprenant de l'hydrogène et éventuellement un gaz neutre, tel que l'argon, l'hydrogène étant compris dans le mélange à une teneur pouvant aller jusqu'à 5% en volume et comprenant éventuellement de l'eau à une teneur pouvant aller jusqu'à 20000 ppm. Après l'étape de frittage, les pastilles obtenues peuvent être soumises à une étape de rectification, laquelle peut être effectuée sur une rectifieuse sans centre et à sec, afin d'obtenir des pastilles satisfaisant à la spécification de diamètre. The sintering step may consist of heating the aforementioned pellets, for example, at a temperature ranging from 1000 to 1800 ° C, for a duration ranging from 1 to 8 hours, for example, under a neutral gas atmosphere, such as argon, optionally in the presence of hydrogen and water or in a reducing medium comprising hydrogen and optionally a neutral gas, such as argon, the hydrogen being included in the mixture to a content up to 5% by volume and optionally comprising water at a content of up to 20000 ppm. After the sintering step, the pellets obtained can be subjected to a grinding step, which can be carried out on a centerless and dry grinding machine, in order to obtain pellets satisfying the diameter specification.
Le combustible obtenu par le procédé conforme à l'invention présente les caractéristiques suivantes : The fuel obtained by the process according to the invention has the following characteristics:
du combustible présentant une porosité contrôlée facilement réalisable en jouant sur la quantité introduite d' octaoxyde de triuranium U3O8 et sur sa granulométrie ; fuel having controlled porosity easily achievable by varying the amount of triuranium octoxide U 3 O 8 introduced and its particle size;
du combustible dont la porosité reste stable sous irradiation; fuel whose porosity remains stable under irradiation;
- du combustible ne présentant pas de risque de dégradation des agents porogènes organiques, tel que cela est le cas avec les combustibles comportant un agent porogène organique ; fuel which does not present a risk of degradation of organic pore-forming agents, as is the case with fuels comprising an organic pore-forming agent;
du combustible pouvant être stocké sur une longue durée. fuel that can be stored over a long period.
L' invention va maintenant être décrite par rapport aux exemples donnés ci-dessous à titre illustratif et non limitatif. The invention will now be described with respect to the examples given below by way of illustration and not limitation.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La figure 1 est un diagramme de cycle thermique appliqué dans le cadre de l'exemple comparatif 1 et l'exemple 1 de l'invention représentant l'évolution de la température T (en °C) en fonction du temps t (en heures h) . La figure 2 représente une vue prise par microscopie optique (agrandissement *2,5) pour le matériau obtenu selon l'exemple comparatif 1. FIG. 1 is a thermal cycle diagram applied in the context of Comparative Example 1 and Example 1 of the invention showing the evolution of temperature T (in ° C) as a function of time t (in hours h ). FIG. 2 represents a view taken by optical microscopy (magnification * 2.5) for the material obtained according to comparative example 1.
La figure 3 représente une vue prise par microscopie optique (agrandissement *2,5) pour le matériau obtenu selon l'exemple 1 de l'invention. FIG. 3 represents a view taken by optical microscopy (magnification * 2.5) for the material obtained according to example 1 of the invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
EXEMPLE COMPARATIF COMPARATIVE EXAMPLE
Cet exemple illustre la préparation d'un combustible oxyde mixte comprenant à la fois de l'uranium et de l'américium. This example illustrates the preparation of a mixed oxide fuel comprising both uranium and americium.
Le procédé mis en œuvre selon cet exemple comprend les étapes suivantes : The method implemented according to this example comprises the following steps:
- une étape de broyage d'un premier mélange par co-broyage de 10 g d' U02 /Am02 dans un bol en inox comprenant deux billes de broyage dans un broyeur oscillant pendant 30 minutes à 15 Hz ; a step of grinding a first mixture by co-milling 10 g of UO2 / AmO2 in a stainless steel bowl comprising two grinding balls in an oscillating mill for 30 minutes at 15 Hz;
- une étape d'ajout de 10 g de UO2 dans le premier mélange (en respectant le ratio U/U+Am=0,9) dans un bol en inox contenant deux billes de broyage dans un broyeur oscillant pendant 30 minutes à 15 Hz ; a step of adding 10 g of UO2 in the first mixture (respecting the ratio U / U + Am = 0.9) in a stainless steel bowl containing two grinding balls in an oscillating mill for 30 minutes at 15 Hz ;
- une étape de stockage du mélange U02 /Am02 en conteneur inox, ce mélange résultant de l'ajout des 10 g de U02 ; a storage step of the UO2 / AmO2 mixture in a stainless steel container, this mixture resulting from the addition of the 10 g of UO 2 ;
- une étape de pressage du mélange résultant U02 /Am02 à une pression PI de 400 MPa au moyen d'une matrice tri-coquille avec lubrification de la matrice et des pistons (avec de l'acide stéarique) ; a step of pressing the resulting mixture UO 2 / AmO 2 at a pressure P 1 of 400 MPa by means of a tri-shell matrix with lubrication of the matrix and the pistons (with stearic acid);
une étape de réduction sous Ar/¾ à 1000°C pendant 1 heure; - une étape de frittage naturel sous argon hydrogéné à 4% à 1750°C pendant 4 heures. a reduction step under Ar / ¾ at 1000 ° C for 1 hour; a natural sintering step under 4% hydrogenated argon at 1750 ° C. for 4 hours.
Le cycle thermique réduction/frittage est représenté, de façon plus explicite, sur la figure 1 représentant l'évolution de la température en fonction du temps (en heures) . The reduction / sintering thermal cycle is represented, more explicitly, in FIG. 1 representing the evolution of the temperature as a function of time (in hours).
On obtient, à l'issue de cet exemple, une pastille de formule Uo, 9 m0, ι02-χ présentant une porosité de l'ordre de 5% environ (il s'agit d'une densité géométrique) et présentant un taux de porosité ouverte très inférieur à 5% déterminée par pesée hydrostatique. At the end of this example, a pellet of formula U0.9 m 0 , ι0 2 - χ having a porosity of approximately 5% (it is a geometric density) and having a open porosity rate much less than 5% determined by hydrostatic weighing.
La pastille obtenue a été analysée par microscopie optique et par diffraction aux rayons X. The pellet obtained was analyzed by light microscopy and X-ray diffraction.
Un cliché obtenu par microscopie optique est représenté sur la figure 2. A snapshot obtained by light microscopy is shown in FIG.
On observe sur ce cliché que le matériau présente un très faible niveau de porosité. It is observed in this picture that the material has a very low level of porosity.
La densité géométrique du matériau est estimée à une valeur de 95% (densité géométrique obtenue par pesée et au moyen d'un profilomètre laser) . The geometric density of the material is estimated at a value of 95% (geometric density obtained by weighing and by means of a laser profilometer).
La perte de masse du matériau après le traitement thermique est estimée à 3,5%. The mass loss of the material after heat treatment is estimated at 3.5%.
EXEMPLE 1 DE L'INVENTION EXAMPLE 1 OF THE INVENTION
Cet exemple illustre la préparation d'un combustible oxyde mixte comprenant à la fois de l'uranium et de l'américium conforme au procédé de 1 ' invention . This example illustrates the preparation of a mixed oxide fuel comprising both uranium and americium according to the process of the invention.
Le procédé mis en œuvre selon cet exemple comprend les étapes suivantes : The method implemented according to this example comprises the following steps:
- une étape de préparation d'un premier mélange par co-broyage de 10 g U02/ m02 (selon un ratio U/U+Am=0,9) dans un bol en inox comprenant deux billes de broyage dans un broyeur oscillant pendant 30 minutes à 15 Hz ; a step of preparation of a first mixture by co-grinding of 10 g U0 2 / m 2 (according to a ratio U / U + Am = 0.9) in a stainless steel bowl comprising two grinding balls in an oscillating mill for 30 minutes at 15 Hz;
une étape de préparation d'un deuxième mélange U3O8/A1Î1O2 d'une masse de 10 g en respectant le ratio U/U+Am=0,9 dans un bol en inox contenant deux billes de broyage dans un broyeur oscillant pendant 30 minutes à 15 Hz. U3O8 est introduit à hauteur de 40% en masse par rapport à la masse du mélange final; a step of preparing a second mixture U3O8 / A1I1O2 with a mass of 10 g while respecting the ratio U / U + Am = 0.9 in a stainless steel bowl containing two grinding balls in an oscillating mill for 30 minutes to 15 Hz. U 3 O 8 is introduced at 40% by weight relative to the mass of the final mixture;
- une étape de stockage du premier mélange a storage step of the first mixture
U02 /Am02 en conteneur inox ; U02 / Am02 in stainless steel container;
- en parallèle, une étape de pressage du deuxième mélange U3O8/A1Î1O2 à une pression PI de 400 MPa au moyen d'une matrice tri-coquille avec lubrification de la matrice et des pistons (avec de l'acide stéarique) ; in parallel, a step of pressing the second mixture U3O8 / A1I102 at a pressure P1 of 400 MPa by means of a tri-shell matrix with lubrication of the matrix and the pistons (with stearic acid);
une étape de concassage des pastilles issues du pressage du mélange U3O8/A1Î1O2 ; a step of crushing the pellets resulting from the pressing of the mixture U3O8 / A1I1O2;
une étape de tamisage du mélange U3O8/A1Î1O2 , de sorte à isoler la fraction granulométrique présentant une taille de grains allant de 100 à 250 ym, lesdits grains constitutifs de ladite fraction comprenant au sein de chaque grain l'association U308 /Am02 ; a step of sieving the U3O8 / Al2O2 mixture, so as to isolate the particle size fraction having a grain size ranging from 100 to 250 μm, said constituent grains of said fraction comprising within each grain the U 3 0 8 / AmO combination; 2 ;
- une étape de mélange (sans moyens de broyage dans un broyeur oscillant à 15 Hz pendant 30 minutes) du premier mélange U02 /Am02 et d'un prélèvement du second mélange U3O8/A1Î1O2 ainsi tamisé, de façon à garantir 40% en masse de U3O8 dans le mélange final ; a mixing step (without grinding means in an oscillating mill at 15 Hz for 30 minutes) of the first mixture U0 2 / Am0 2 and a sample of the second mixture U3O8 / A1I102 thus sieved, so as to guarantee 40% in mass of U 3 O 8 in the final mixture;
- une étape de pressage du mélange résultant à une pression P2 de 400 MPa; une étape de réduction sous Ar/¾ à 1000 °C pendant 1 heure de sorte à réduire U3O8 en UO2 ; a step of pressing the resulting mixture at a pressure P2 of 400 MPa; a reduction step under Ar / ¾ at 1000 ° C for 1 hour so as to reduce U3O8 to UO2;
- une étape de frittage naturel sous argon hydrogéné à 4% à 1750°C pendant 4 heures. a natural sintering step under 4% hydrogenated argon at 1750 ° C. for 4 hours.
Le cycle thermique réduction/frittage est représenté, de façon plus explicite, sur la figure 1 représentant l'évolution de la température en fonction du temps (en heures) . The reduction / sintering thermal cycle is represented, more explicitly, in FIG. 1 representing the evolution of the temperature as a function of time (in hours).
On obtient, à l'issue de cet exemple, une pastille de formule Uo, 9 m0, 1O2 présentant une porosité de l'ordre de 14% environ (il s'agit d'une densité géométrique) et présentant 10% de porosité ouverte déterminée par pesée hydrostatique. At the end of this example, a lozenge of formula Uo 9 m 0 , 10 2 having a porosity of approximately 14% (it is a geometric density) and having 10% of porosity is obtained. open determined by hydrostatic weighing.
La pastille obtenue a été analysée par microscopie optique et par diffraction aux rayons X. The pellet obtained was analyzed by light microscopy and X-ray diffraction.
Un cliché obtenu par microscopie optique est représenté sur la figure 3. A photograph obtained by light microscopy is shown in FIG.
On observe sur ce cliché que la porosité du matériau obtenu présente une morphologie allongée du type lenticulaire et qu'elle est majoritairement interconnectée . It is observed in this picture that the porosity of the material obtained has an elongated morphology of the lenticular type and that it is mostly interconnected.
La densité géométrique du matériau est estimée à une valeur de 86% (densité géométrique obtenu par pesée et au moyen d'un profilomètre laser) . The geometric density of the material is estimated at a value of 86% (geometric density obtained by weighing and by means of a laser profilometer).
La perte de masse du matériau après le traitement thermique est estimée à 5%. The mass loss of the material after the heat treatment is estimated at 5%.
Par analyse aux rayons X, on peut observer une disparition de la phase U3O8 après traitement thermique (ce qui traduit la réduction complète de U3O8 en UO2) · En outre, le rapport O/Am de l'oxyde d' américium se situe dans la fourchette 1,5<0/Am<2, car aucun pic de Am2C>3 ou de Am02 n'a été observé. Ceci traduit aussi le fait que le matériau est un matériau monophasé (ce qui signifie que l'américium et l'uranium sont mélangés à l'échelle atomique) . By X-ray analysis, a disappearance of the U 3 O 8 phase can be observed after heat treatment (which represents the complete reduction of U 3 O 8 in UO 2 ) · In addition, the O / Am ratio of the oxide Americium is in the range 1.5 <0 / Am <2 because no peak of Am 2 C> 3 or AmO 2 was observed. This also reflects the fact that the material is a single-phase material (which means that americium and uranium are mixed at the atomic scale).
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